PCB-Neuigkeiten - Forschung zur elektromagnetischen Kompatibilität von Power PCB Board

Mit der Verbesserung der Leistung von Leistungshalbleiterbauelementen und der Innovation der Schaltumwandlungstechnologie, Leistungselektronische Technologie ist in verschiedenen Stromversorgungsausrüstungen weit verbreitet gewesen. Zur Zeit, Die Produkte der Schaltnetzteile neigen dazu, klein zu sein, Hochgeschwindigkeits-PCB und hohe Dichte. Dieser Trend hat dazu geführt, dass Probleme der elektromagnetischen Verträglichkeit immer ernster werden. The high-frequency switching process of voltage and current produces a large amount of EMI (electromagnetic interference). Wenn dieser Teil der Störung nicht eingeschränkt ist, Es wird den normalen Betrieb der umgebenden elektrischen Ausrüstung ernsthaft beeinträchtigen. Daher, die PCB-Design Das Schaltnetzteil ist ein wichtiger Aspekt, um das Problem der elektromagnetischen Verträglichkeit des Schaltnetzteils zu lösen. Der Grund, warum PCB als unverzichtbare und wichtige Komponente bei der Auslegung der Schaltnetzteil angesehen wird, ist, dass sie für die doppelte Verbindung der elektrischen und mechanischen Komponenten der Schaltnetzteil verantwortlich ist und der Schlüssel zur Reduzierung des EMI-Designs elektronischer Geräte ist..

1 Elektromagnetische Störungen in PCB-Design

1.1 Störung elektromagnetischer Kupplungen

Im Schaltungsdesign beeinflussen elektromagnetische Kupplungsstörungen hauptsächlich andere Schaltkreise durch Leitungskupplung und Gleichtaktimpedanzkopplung. Aus der Perspektive des EMV-Designs unterscheiden sich Schaltnetzteile von gewöhnlichen digitalen Schaltungen und weisen relativ offensichtliche Störquellen und empfindliche Leitungen auf. Im Allgemeinen konzentrieren sich die Störquellen von Schaltnetzteilen hauptsächlich auf Komponenten und Drähte mit großer Spannung und Stromwechselrate, wie Leistungs-FETs, schnelle Wiederherstellungsdioden, Hochfrequenztransformatoren und an sie angeschlossene Drähte. Empfindliche Leitungen beziehen sich hauptsächlich auf Steuerkreise und Leitungen, die direkt mit Störmessgeräten verbunden sind, da diese Störkupplungen den normalen Betrieb des Schaltkreises und das Niveau der nach außen übertragenen Störungen direkt beeinflussen können. Die Gleichtaktimpedanzkopplung bedeutet, dass, wenn die Ströme zweier Schaltkreise eine gemeinsame Impedanz durchlaufen, die Spannung, die durch den Strom einer Schaltung auf der gemeinsamen Impedanz gebildet wird, die andere Schaltung beeinflusst.

1.2 Übersprechen Interferenzen

Die Übersprechstörung zwischen Streifen, Drähten und Kabeln in der Leiterplatte (PCB) ist eines der schwierigsten Probleme in der Leiterplatte zu überwinden. Das hier erwähnte Übersprechen ist ein Übersprechen im weiteren Sinne, egal ob die Quelle nützliches Signal oder Rauschen ist, Übersprechen wird durch die gegenseitige Kapazität und gegenseitige Induktivität von Drähten ausgedrückt. Zum Beispiel trägt eine Strip-Linie auf der Leiterplatte Steuer- und Logik-Ebenen, und eine zweite Strip-Linie in ihrer Nähe trägt ein Low-Level-Signal. Wenn die parallele Verdrahtungslänge 10 cm überschreitet, wird Übersprechen Interferenz erwartet; Wenn ein langes Kabel mehrere Sätze serieller oder paralleler Hochgeschwindigkeitsdaten- und Fernsteuerungsleitungen trägt, wird auch Übersprechen zu einem großen Problem. Das Übersprechen zwischen benachbarten Drähten und Kabeln wird dadurch verursacht, dass das elektrische Feld durch gegenseitige Kapazität und das Magnetfeld durch gegenseitige Induktivität fließt.

Bei der Betrachtung des Problems des Übersprechens in den Leiterplattenstreifen besteht das Hauptproblem darin, zu bestimmen, welche der elektrischen Feld (gegenseitige Kapazität) und Magnetfeld (gegenseitige Induktivität) Kopplung wichtiger ist. Die Bestimmung des Kopplungsmodells hängt hauptsächlich von der Linienimpedanz, Frequenz und anderen Faktoren ab. Im Allgemeinen ist die kapazitive Kopplung dominant bei hohen Frequenzen, aber wenn eine oder beide der Quelle oder Empfänger geschirmte Kabel verwendet und an beiden Enden der Abschirmung geerdet ist, ist die Magnetfeldkopplung dominant. Darüber hinaus ist die niedrige Schaltimpedanz in der Regel bei niedrigen Frequenzen niedriger, und induktive Kopplung ist der Hauptfaktor.

1.3 Störungen elektromagnetischer Strahlung

Strahlungsstörung ist die Störung, die durch die Strahlung elektromagnetischer Wellen im Weltraum verursacht wird. PCB-elektromagnetische Strahlung wird in zwei Arten unterteilt: Differential Mode Strahlung und Gleichtaktstrahlung. In den meisten Fällen wird die leitungsgeleitete Interferenz, die durch Schaltnetzteile erzeugt wird, von Gleichtaktstörungen dominiert, und der Strahlungseffekt von Gleichtaktstörungen ist viel größer als Differentialmodusstörungen. Daher ist die Reduzierung von Gleichtaktstörungen bei der EMV-Auslegung von Schaltnetzteilen besonders wichtig. (^$RFSW#$%T

2 Schritte zur Unterdrückung von Interferenzen auf Leiterplatten

2.1 PCB-Design Informationen

Wenn Sie eine Leiterplatte entwerfen, müssen Sie die Designinformationen der Leiterplatte verstehen, die Folgendes umfassen:

(1) Anzahl der Produkte, Größe des Produkts und Verpackung des Produkts;

(2) Anforderungen an das Gesamtlayout, den Standort des Gerätes, das Vorhandensein oder Fehlen von Hochleistungsgeräten und besondere Anforderungen an die Wärmeableitung von Chipgeräten;

(3) Die Geschwindigkeit des digitalen Chips, ob die Leiterplatte in Bereiche mit niedriger Geschwindigkeit, mittlerer Geschwindigkeit und Hochgeschwindigkeit unterteilt ist, und welche die Grenzflächeneingangs- und Ausgangsbereiche sind;

(4) die Art und Geschwindigkeit der Signalleitung und die Übertragungsrichtung, die Impedanzkontrollanforderung der Signalleitung, die Richtung der Busgeschwindigkeit und die Fahrsituation, das Schlüsselsignal und die Schutzmaßnahmen;

(5) Stromversorgungsart, Erdungsart, Lärmtoleranzanforderungen für Stromversorgung und Erdung, Einstellung und Aufteilung der Stromversorgung und Erdungsebene;

(6) Die Art und Geschwindigkeit der Taktleitung, die Quelle und das Ziel der Taktleitung, die Taktverzögerungsanforderung und die längste Verdrahtungsanforderung.

2.2 Leiterplattenbeschichtung

Erstens, Ermittlung der Anzahl der Verdrahtungsschichten und Stromversorgungsschichten, die zur Implementierung der Funktion innerhalb eines akzeptablen Kostenbereichs erforderlich sind. Die Anzahl der Schichten der Leiterplatte wird durch Faktoren wie detaillierte funktionale Anforderungen bestimmt, Immunität, Trennung von Signalkategorien, Gerätedichte, und Busverdrahtung. Zur Zeit, Leiterplatten haben sich allmählich aus einlagigen, zweilagig, und vierschichtige Leiterplatten zu mehrschichtigen Leiterplatten. Das Design von Mehrschichtige Leiterplatten ist die wichtigste Maßnahme zur Erreichung von Normen für elektromagnetische Verträglichkeit. Die Anforderungen sind:

(1) Die Verteilung der separaten Leistungsschicht und der Masseschicht kann inhärente Gleichtaktstörungen gut unterdrücken und Punktquellenimpedanz verringern;

(2) Die Leistungsebene und die Bodenebene sind so nah wie möglich zueinander, und die Bodenebene befindet sich im Allgemeinen über der Leistungsebene;

(3) Es ist am besten, digitale Schaltungen und analoge Schaltungen in verschiedenen Schichten auszulegen;

(4) Die Verdrahtungsschicht grenzt vorzugsweise an die gesamte Metallebene an;

(5) Taktschaltungen und Hochfrequenzschaltungen sind die wichtigsten Störquellen und sollten separat behandelt werden.

2.3 PCB Layout

Der Schlüssel zum EMV-Design der Leiterplatte ist Layout und Verdrahtung, die direkt mit der Leistung der Leiterplatte verbunden ist. Die aktuelle EDA-Automatisierung des Leiterplattenlayouts ist sehr gering und erfordert viel manuelles Layout. Vor dem Layout muss die Leiterplattengröße ermittelt werden, die die Funktion zu möglichst geringen Kosten erfüllt. Wenn die Leiterplattengröße zu groß ist und die Geräteverteilung während des Layouts gestreut ist, kann die Übertragungsleitung sehr lang sein, was die Impedanz erhöht, die Rauschfestigkeit verringert und die Kosten erhöht. Wenn die Geräte zentralisiert platziert werden, ist die Wärmeableitung nicht gut, und die benachbarten Leiterbahnen sind anfällig für Kopplungsübersprechen. Daher muss das Layout entsprechend der Schaltungsfunktionseinheit durchgeführt werden, und Faktoren wie elektromagnetische Verträglichkeit, Wärmeableitung und Schnittstelle müssen gleichzeitig berücksichtigt werden. Einige Prinzipien sollten im Gesamtlayout befolgt werden:

(1) Ordnen Sie jede funktionale Schaltungseinheit entsprechend dem Fluss des Schaltungssignals an, um den Signalfluss in der gleichen Richtung zu halten;

(2) Nehmen Sie die Kernkomponente jeder Funktionsschaltungseinheit als Zentrum, und andere Komponenten sind um sie herum angeordnet;

(3) Verkürzen Sie die Verkabelung zwischen Hochfrequenzkomponenten so weit wie möglich und versuchen Sie, ihre Verteilungsparameter zu reduzieren;

(4) Die Komponenten, die anfällig für Störungen sind, sollten nicht zu nah beieinander liegen, und die Ein- und Ausgangskomponenten sollten weit entfernt sein;

(5) Verhindern Sie gegenseitige Kopplung zwischen Stromleitungen, Hochfrequenzsignalleitungen und allgemeiner Verdrahtung.

2.4 Leiterplattenverdrahtung

(1) Verdrahtungsprinzip

Bei der Verkabelung alle Signalleitungen klassifizieren. Legen Sie zuerst die Takt- und empfindlichen Signalleitungen und leiten Sie dann die Hochgeschwindigkeitssignalleitungen. Nachdem Sie sichergestellt haben, dass die Durchkontaktierungen für solche Signale klein genug sind und die Verteilungsparameter gut sind, leiten Sie die allgemeinen unwichtigen Signalleitungen. Folgende Grundsätze sollten befolgt werden:

1) Die Drähte der Eingangs- und Ausgangsenden sollten so weit wie möglich von der benachbarten Langstreckenpalette vermieden werden; Um das Übersprechen der langen parallelen Drähte zu reduzieren, kann der Leitungsabstand vergrößert werden, oder der Massedraht kann zwischen die Drähte eingeführt werden;

2) Die Breite der Leiterplatte sollte nicht plötzlich geändert werden, und der Draht sollte nicht plötzlich in die Ecke gedrückt werden. Halten Sie die Impedanz der Schaltung so konstant wie möglich. Die Ecken der gedruckten Übertragungsleitung folgen im Allgemeinen einem Kreisbogen oder bilden einen Winkel von 135°;

3) Achten Sie besonders auf die Verteilung von Strom- und Erdungsdrähten von Hochfrequenzschaltungen;

4) Reduzieren Sie den Drahtschleifenbereich im Stromflussprozess, weil die externe Strahlung der stromführenden Schleife proportional zum Durchgangsstrom, dem Schleifenbereich und der Signalfrequenz ist;

5) Ordnen Sie mehr Massedraht-Eingangsstifte an, die auf dem Leiterplattenstecker verstreut sind, was hilft, den Schleifenbereich und die Massedraht-Impedanz der Leiterplattenstift-Verdrahtung zu reduzieren;

6) Verringerung der Länge des Drahtes und Erhöhung der Breite des Drahtes helfen, die Impedanz des Drahtes zu verringern.

(2) Entwurf der EMV-Verdrahtung von Leiterplatten

Entsprechend dem elektrischen Feldverteilungsdiagramm zur Weiterführung des EMV-Verdrahtungsentwurfs der gedruckten Schaltung ist seine Grundidee, die empfindliche Schaltung in den Bereich mit schwächerer Störung zu setzen. Dann wird gemäß dem vorgeschlagenen Konzept des "Kopplungskoeffizienten" die Größe der verteilten Kapazität zwischen den gedruckten Schaltungen in Echtzeit geschätzt, und die Leiterplatte kann während des Designs geändert und verbessert werden, was die Leitungsstörung der Leiterplatte effektiv reduzieren kann.

Zur Auswahl eines geeigneten Layoutplans berechnen Sie zunächst die Störintensitätsverteilungskarte der Störquelle. Die Schaltfrequenz der meisten Schaltnetzteile liegt zwischen Dutzenden kHz bis zu mehreren MHz, so dass das elektrische Störfeld auf der Leiterplattenoberfläche für quasi-statische Feldanalysen verwendet werden kann. Unter dieser Annahme kann die Feldgröße als Produkt unabhängiger Raum- und Zeitgrößen geschrieben werden. Daher kann der Verschiebstrom J (x, y, z, t) folgendermaßen geschrieben werden:

By solving Laplace equation (2), Die räumliche Komponente des Potenzials an jedem Punkt im Raum kann gelöst werden, und die entsprechende räumliche Komponente der Verschiebstromdichte kann durch Multiplizieren mit der Dielektrizitätskonstante nach der Berechnung ermittelt werden. Nach visueller Berechnung, Erforschung der elektromagnetischen Verträglichkeit von Schaltnetzteilen Leiterplatte

2.5 PCB Anti-jamming Schaltung

Für die digitale Steuerung eines großen Schaltnetzteils verfügt jedes Logikgerät über einen entsprechenden Ventilpegel und eine entsprechende Geräuschtoleranz. Solange das externe Rauschen die Toleranzgrenze des Logikgerätes nicht überschreitet, kann das System normal arbeiten. Sobald jedoch das Rauschen oder die Störung, die in das System eindringt, eine bestimmte Toleranz überschreitet, wird das Störsignal durch das Logikgerät verstärkt und geformt, was zu einer wichtigen Ursache für Fehlfunktionen wird. Das empfindlichste des Einzelchip-Mikrocomputersystems ist das Taktsignal, das Rückstellsignal und das Unterbrechungssignal. Diesen drei Signalleitungen sollte beim Verlegen der Leiterplatte besondere Aufmerksamkeit geschenkt werden. Während die Funktion erfüllt wird, sollte der Kristalloszillator mit der niedrigsten Frequenz ausgewählt werden.

Die Watchdog-Schaltung ist eine der Anti-Interferenzmaßnahmen. Wenn die starke elektromagnetische Störung, die Netzspitzenstörung das Einzelchipsystem zum Stillstand bringt, kann die Watchdog-Schaltung das Programm automatisch erkennen und wiederherstellen.

Wenn das System starken Störungen ausgesetzt ist und seinen normalen Betriebszustand verliert, werden die Daten im RAM oft zerstört. Daher muss neben der sorgfältigen Auslegung des Stromversorgungssystems eine zuverlässige RAM-Schutzschaltung ausgelegt werden.

Datenbus, Adressbus und Steuerbus der Schaltung werden zur Information ausgetauscht. Wenn die Lastkapazität des Busses erhöht wird, wird die Signalwellenform verbessert, wenn die Busübertragung länger ist. Zu diesem Zeitpunkt muss eine dreistufige Puffergateschaltung als Bustreiber konfiguriert werden. Achten Sie außerdem darauf, den Lastausgleich des Busses sicherzustellen.

Die Installation von Pull-up-Widerständen auf dem Bus kann die Zuverlässigkeit der Bussignalübertragung verbessern, kann nicht nur den Signalpegel erhöhen, sondern auch die anti-elektromagnetische Störfähigkeit des Busses verbessern, elektrostatische Störungen unterdrücken und reflektierte Wellenstörungen schwächen. Wenn der Chip einen eingebauten Pull-up Widerstand hat, besteht keine Notwendigkeit, einen Pull-up Widerstand in einer externen Schaltung zu installieren. Für die Chip-Pins auf der Schaltung kann das Fixieren der nicht verwendeten Eingangsklemmen auf einem hohen Niveau die Unterdrückung externer elektromagnetischer Störungen verbessern.